電力電子技術(shù)(第4版)王云亮電子課件

第1章緒論本章簡(jiǎn)要介紹了本報(bào)告的背景和目標(biāo)。報(bào)告將從宏觀的角度探討企業(yè)發(fā)展的宏觀環(huán)境,并重點(diǎn)分析當(dāng)前行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。通過(guò)實(shí)地調(diào)研和數(shù)據(jù)分析,為企業(yè)制定未來(lái)發(fā)展策略提供建議。ＯabyＯＯＯＯＯＯＯＯＯ1.1電力電子技術(shù)的定義和特點(diǎn)電力電子技術(shù)的定義電力電子技術(shù)是利用功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和控制的一門學(xué)科。它結(jié)合電路理論、控制理論和電磁理論。技術(shù)特點(diǎn)電力電子技術(shù)具有高效率、高可靠性、可控性強(qiáng)、體積小等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、能源等領(lǐng)域。發(fā)展趨勢(shì)電力電子技術(shù)不斷發(fā)展,向著高功率密度、高開關(guān)頻率、高集成度和智能化的方向前進(jìn)。電力電子技術(shù)的發(fā)展歷程11948年硅半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)明開啟了電力電子技術(shù)的新紀(jì)元,使得更高效和可靠的電力電子器件成為可能。21960年代晶閘管和MOSFET的問(wèn)世極大地推動(dòng)了電力電子技術(shù)的發(fā)展,使得電力轉(zhuǎn)換和控制更加靈活高效。31980年代IGBT的問(wèn)世進(jìn)一步提高了電力電子技術(shù)的性能,推動(dòng)了變頻調(diào)速、柔性輸電等新應(yīng)用的發(fā)展。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制:電力電子技術(shù)在電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制中廣泛應(yīng)用,提高了電機(jī)的效率和性能?？稍偕茉磻?yīng)用:例如風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)中,電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的高效轉(zhuǎn)換和并網(wǎng)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制:電力電子技術(shù)在無(wú)功補(bǔ)償、諧波濾波、電壓調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮重要作用,保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電力變換應(yīng)用:電力電子技術(shù)在直流-交流、交流-交流、交流-直流等電力變換中廣泛應(yīng)用,提高能量轉(zhuǎn)換效率。電力質(zhì)量控制:電力電子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)諧波抑制、功率因數(shù)校正、電壓調(diào)節(jié)等,改善電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。電力電子技術(shù)的基本原理電力電子技術(shù)的基本原理包括電力轉(zhuǎn)換、電力調(diào)控和電力控制等方面。它利用功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)電力的有效轉(zhuǎn)換和控制,可以提高電力系統(tǒng)的效率和可靠性。這種技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電網(wǎng)并網(wǎng)、電力變換等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,是電力系統(tǒng)現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)之一。功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)的核心組成部分,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換和控制。了解這些器件的工作原理及特點(diǎn),對(duì)于設(shè)計(jì)和應(yīng)用電力電子系統(tǒng)至關(guān)重要。二極管1定義二極管是一種雙端半導(dǎo)體器件,具有單向?qū)ㄌ匦?可以用于直流電路中的整流和檢波等功能。2工作原理二極管內(nèi)部由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體材料組成,當(dāng)正向偏壓施加時(shí),電子和空穴可以自由流動(dòng),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。3主要特性二極管具有低正向壓降、耐壓能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于整流、檢波、調(diào)制等電路中。4種類及應(yīng)用常見的二極管種類包括硅二極管、鍺二極管、發(fā)光二極管等,應(yīng)用于電源、信號(hào)處理、照明等領(lǐng)域。晶閘管晶閘管是一種具有三個(gè)電極的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件。它通過(guò)在控制電極施加電壓來(lái)控制主電路的開通和關(guān)斷,具有體積小、效率高、響應(yīng)快等特點(diǎn)。晶閘管在電力電子系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,是實(shí)現(xiàn)電力控制的關(guān)鍵元件之一。MOSFET1MOSFET原理MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)是一種利用電場(chǎng)控制半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性的電子器件。其工作原理是通過(guò)施加電壓來(lái)調(diào)控源極和漏極之間的電流流通。2MOSFET特點(diǎn)MOSFET具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn),在電力電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于開關(guān)電路、放大電路等。3MOSFET分類MOSFET可分為增強(qiáng)型和減磁型兩大類,根據(jù)溝道類型又可分為N溝道和P溝道MOSFET。不同類型MOSFET應(yīng)用場(chǎng)景也有所不同。4MOSFET選型MOSFET選型時(shí)需考慮額定電壓、導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度、開關(guān)損耗等參數(shù),選擇適合所需應(yīng)用的MOSFET器件。2.4IGBTIGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是一種高功率、高速開關(guān)器件，結(jié)合了MOSFET的電壓控制和BJT的功率驅(qū)動(dòng)能力。IGBT具有高輸入阻抗、高輸出功率密度、快速開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域。IGBT的核心結(jié)構(gòu)為p-n-p-n結(jié)構(gòu)，通過(guò)柵極電壓控制器件的開關(guān)狀態(tài)。IGBT在高壓高功率應(yīng)用中比MOSFET更有優(yōu)勢(shì)，是電力電子系統(tǒng)中的重要功率半導(dǎo)體器件。2.5功率半導(dǎo)體器件的選擇明確應(yīng)用場(chǎng)景需求:考慮工作電壓、電流、頻率、功率條件等。兼顧器件性能指標(biāo):選擇導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度、耐壓和溫升等指標(biāo)達(dá)標(biāo)的器件。權(quán)衡成本和可靠性:平衡成本、可靠性和性能之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)選擇。優(yōu)化散熱設(shè)計(jì):根據(jù)器件的發(fā)熱特性,采用合適的散熱方案,確保安全穩(wěn)定運(yùn)行。電力電子變換器在電力電子系統(tǒng)中,電力電子變換器是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的核心部件。其主要包括整流電路、逆變電路、斬波電路和換流電路等,能夠?qū)崿F(xiàn)交流電與直流電之間的相互轉(zhuǎn)換和電壓電流的調(diào)節(jié)。這些電路廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電網(wǎng)并網(wǎng)、電力變換和電力質(zhì)量控制等領(lǐng)域。整流電路交流轉(zhuǎn)直流整流電路可以將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓,為各種電子設(shè)備提供所需的直流電源?；窘Y(jié)構(gòu)整流電路通常由二極管、電容器和電感等元件組成,形成整流和濾波的功能。常見拓?fù)浒氩ㄕ?、全波整流和橋式整流是三種常見的整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3.2逆變電路主回路拓?fù)淠孀冸娐返闹饕負(fù)浣Y(jié)構(gòu)包括半橋式、全橋式和多電平逆變器等。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。開關(guān)控制策略逆變電路的開關(guān)控制策略主要包括正弦波調(diào)制、矩形波調(diào)制和脈寬調(diào)制等。不同的策略有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。濾波電路設(shè)計(jì)為了濾除諧波并獲得較好的輸出波形,需要設(shè)計(jì)合適的濾波電路。這包括L-C濾波器、RLC濾波器等。斬波電路電壓調(diào)節(jié)斬波電路能夠有效地調(diào)節(jié)輸出電壓,通過(guò)控制開關(guān)的開合時(shí)間比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)。能源效率斬波調(diào)節(jié)模式相比于簡(jiǎn)單的電阻分壓方式,能夠更有效地利用電能,提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率。寬調(diào)范圍斬波電路能夠提供較寬的調(diào)節(jié)電壓范圍,滿足不同負(fù)載條件下的電壓調(diào)節(jié)需求。換流電路整流換流電路從交流電源輸入交流電壓,通過(guò)整流器將其轉(zhuǎn)換為直流電壓。濾波該直流電壓經(jīng)過(guò)濾波電路,濾除高頻脈動(dòng)成分,輸出平滑的直流電壓。輸出控制最后通過(guò)輸出控制電路,對(duì)直流電壓電流進(jìn)行調(diào)節(jié),滿足負(fù)載要求。第4章電力電子系統(tǒng)的控制1反饋控制反饋控制通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出并將其與期望值進(jìn)行比較,從而調(diào)整系統(tǒng)輸入以達(dá)到所需性能。這種閉環(huán)控制方法可以確保穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)運(yùn)行。2開環(huán)控制開環(huán)控制不需要反饋信號(hào),而是根據(jù)預(yù)先制定的算法直接控制系統(tǒng)輸入。雖然可能更簡(jiǎn)單,但缺乏對(duì)輸出的監(jiān)控,難以確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性。3數(shù)字控制數(shù)字控制利用微處理器、DSP等數(shù)字設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子系統(tǒng)的精確控制。相比模擬控制,數(shù)字控制更加靈活可編程,可實(shí)現(xiàn)高性能控制。4.1反饋控制檢測(cè)對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行連續(xù)或間歇性的測(cè)量和監(jiān)控,獲取反饋信號(hào)。比較將檢測(cè)到的實(shí)際輸出值與預(yù)設(shè)的目標(biāo)值進(jìn)行比較,分析偏差大小。調(diào)整根據(jù)偏差情況采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施,以縮小偏差,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。開環(huán)控制定義開環(huán)控制是一種簡(jiǎn)單的控制方式,沒有反饋回路,直接根據(jù)輸入信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),不依賴系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),無(wú)需復(fù)雜的傳感器和反饋電路。適用于一些穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。局限性由于缺乏反饋,無(wú)法對(duì)外部干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償,控制精度較低,不適用于需要高精度的場(chǎng)合。4.3數(shù)字控制數(shù)字控制系統(tǒng)架構(gòu)基于微處理器、FPGA等數(shù)字硬件的靈活配置和編程,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的算法和控制策略?？焖夙憫?yīng)和高精度數(shù)字控制系統(tǒng)具有快速的計(jì)算能力和高分辨率的信號(hào)處理,可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。適應(yīng)性強(qiáng)數(shù)字控制系統(tǒng)可以通過(guò)軟件更新輕松地適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境和需求變化。4.4自適應(yīng)控制識(shí)別系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),自動(dòng)建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型,以適應(yīng)內(nèi)外部環(huán)境的變化。優(yōu)化控制算法根據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)模型,動(dòng)態(tài)調(diào)整控制算法參數(shù),以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。自我學(xué)習(xí)和優(yōu)化系統(tǒng)會(huì)不斷學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化自身性能,提高控制精度和穩(wěn)定性。第5章電力電子系統(tǒng)的應(yīng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)：利用電力電子技術(shù)可以精準(zhǔn)控制電機(jī)的速度、扭矩和方向,廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、家用電器等領(lǐng)域。電網(wǎng)并網(wǎng)：電力電子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)可再生能源與電網(wǎng)的高效并網(wǎng),提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和靈活性。電力變換：通過(guò)整流、逆變等電力電子技術(shù),可實(shí)現(xiàn)交直流電之間的轉(zhuǎn)換,滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的電力需求。電力質(zhì)量控制：利用電力電子設(shè)備可以有效改善電網(wǎng)電壓、頻率和諧波等電力質(zhì)量問(wèn)題,提升電網(wǎng)性能。5.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)高效驅(qū)動(dòng)電力電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效驅(qū)動(dòng),提高電機(jī)的扭矩輸出和速度調(diào)節(jié)精度。節(jié)能控制通過(guò)對(duì)電機(jī)的電壓、電流進(jìn)行精細(xì)化控制,可大幅提高電機(jī)系統(tǒng)的能源利用效率。自動(dòng)化應(yīng)用電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的智能化、無(wú)人化控制。電網(wǎng)并網(wǎng)風(fēng)電并網(wǎng)將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)可再生能源與電網(wǎng)的無(wú)縫對(duì)接,提高電網(wǎng)的清潔能源占比。光伏并網(wǎng)利用逆變技術(shù),將分布式光伏系統(tǒng)高效地并入電網(wǎng),為電網(wǎng)提供清潔環(huán)保的電力。儲(chǔ)能并網(wǎng)能源儲(chǔ)存設(shè)備與電網(wǎng)協(xié)同工作,提高電網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性和可靠性,助力清潔能源的大規(guī)模接入。5.3電力變換電力轉(zhuǎn)換電力電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)交流和直流之間的雙向轉(zhuǎn)換,可以調(diào)節(jié)電壓、電流和頻率,廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)和工業(yè)場(chǎng)合。電壓調(diào)節(jié)通過(guò)電力電子變換器,可以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)輸出電壓,滿足不同負(fù)載的需求,提高供電質(zhì)量和用電效率。頻率轉(zhuǎn)換利用電力電子技術(shù)可以實(shí)